基于STM32的船載衛(wèi)星伺服控制系統(tǒng)

李朵朵, 符秀輝, 王姜婷

(1.沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110142; 2.遼寧大學(xué) 物理學(xué)院, 遼寧 沈陽 110036)

目前,國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的跟蹤系統(tǒng)是程序?qū)π羌幼詣?dòng)跟蹤的北斗船載衛(wèi)星伺服控制跟蹤系統(tǒng),區(qū)別于以往純粹的手動(dòng)跟蹤,該系統(tǒng)利用北斗模塊獲取緯度信息,采用程序跟蹤方式完成對(duì)星[1].梁永湖等[2]研究的基于STM32F103V8T6的船用衛(wèi)星電視天線控制系統(tǒng)雖然能夠滿足通信要求,但其體積比較大,對(duì)船只要求比較高.凌鳴等[3]研究的基于STM32F4的船載動(dòng)中通天線伺服控制系統(tǒng)雖然是一個(gè)完整的伺服控制系統(tǒng),但是它的實(shí)時(shí)性不高.為了滿足船載衛(wèi)星要求,筆者設(shè)計(jì)了一種新的伺服控制系統(tǒng),該系統(tǒng)具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值.

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

伺服控制系統(tǒng)主要由主控板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、編碼器和兩路瑞士maxon電機(jī)組成.控制器采用STM32F103單片機(jī)作為主控芯片,主控板負(fù)責(zé)接收和處理上位機(jī)接收的衛(wèi)星信號(hào),進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)行.根據(jù)上位機(jī)接收的電機(jī)運(yùn)行角度,STM32微處理器把運(yùn)動(dòng)角度信息發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)板.電機(jī)驅(qū)動(dòng)板輸出兩個(gè)伺服電機(jī)的脈沖序列、方向以及驅(qū)動(dòng)板所需要的使能信號(hào),使電機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定位置.編碼器通過串口將監(jiān)測的電機(jī)運(yùn)動(dòng)角度實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī)控制器,形成閉環(huán)反饋方式,從而保證電機(jī)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性.

1.1 天線結(jié)構(gòu)

船載衛(wèi)星接收天線采用一種方位軸和俯仰軸控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)方式,衛(wèi)星通信的天線安裝在俯仰平臺(tái)上,通過方向電機(jī)和俯仰電機(jī)調(diào)整船載天線的姿態(tài).由天線板、俯仰被動(dòng)齒輪、天線頂部壓板、天線平板轉(zhuǎn)接件組成天線系統(tǒng).在底盤的齒輪上裝有滑環(huán),可以360°連續(xù)旋轉(zhuǎn),不用限制位置,伺服系統(tǒng)所采用俯仰軸的調(diào)節(jié)范圍為 0°～60°.另外,此系統(tǒng)還采用霍爾傳感器進(jìn)行限位.天線安裝系統(tǒng)如圖1所示.用8個(gè)M4×8的內(nèi)六角圓柱頭螺釘將天線頂部壓板、天線和左右兩側(cè)的天線平板轉(zhuǎn)接件及俯仰被動(dòng)齒輪連接在一起,螺釘先不擰緊,將俯仰被動(dòng)齒輪和天線平板轉(zhuǎn)接件向左右兩側(cè)靠近(使天線平板轉(zhuǎn)接件及俯仰被動(dòng)齒輪間距最大),然后將8個(gè)M4×8的內(nèi)六角圓柱頭螺釘擰緊固定.

圖1 天線板安裝接口Fig.1 Antenna plate installation interface

最后用8個(gè)M3×8的螺釘將天線頂部壓板及天線背部連接件連接在一起,調(diào)整好位置并固定.伺服系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示.該系統(tǒng)的外形尺寸比其他船載衛(wèi)星伺服控制系統(tǒng)外形尺寸小.各個(gè)衛(wèi)星參數(shù)對(duì)比如表1所示.

圖2 伺服系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.2 Mechanical structure of servo system

表1 各個(gè)衛(wèi)星參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of satellite parameters

1.2 系統(tǒng)功能

伺服控制系統(tǒng)的控制核心為STM32單片機(jī),其主要功能模塊包括霍爾傳感器、伺服電機(jī).通過控制核心,根據(jù)所得到的步進(jìn)電機(jī)的方位角數(shù)據(jù)和俯仰角數(shù)據(jù)共同驅(qū)動(dòng)船載衛(wèi)星伺服控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng),完成衛(wèi)星的掃描、實(shí)時(shí)跟蹤[4].船載衛(wèi)星的伺服控制系統(tǒng)功能組成如圖3所示.

圖3 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of servo system

1.3 控制策略

船載衛(wèi)星天線使用過程中,天線伺服控制系統(tǒng)采取360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行尋星,上位機(jī)根據(jù)連續(xù)衛(wèi)星連續(xù)旋轉(zhuǎn)得到確定的目標(biāo)衛(wèi)星參數(shù)后,接收北斗衛(wèi)星信息,計(jì)算出船載衛(wèi)星天線的俯仰角,把數(shù)據(jù)傳給控制器,驅(qū)動(dòng)俯仰電機(jī)使俯仰軸到達(dá)俯仰角度,驅(qū)動(dòng)方位電機(jī)以達(dá)到方位角度.實(shí)時(shí)地根據(jù)接收數(shù)據(jù)控制方位電機(jī)和俯仰電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),達(dá)到所需角度要求.為減少在通信過程中的搜星時(shí)間,伺服控制系統(tǒng)采用就近原則;在0°～360°的范圍內(nèi),伺服系統(tǒng)走小角度來達(dá)到目標(biāo)要求,若沒有收到反饋的角度,船載伺服控制系統(tǒng)進(jìn)入連續(xù)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)[5].

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32主控核心及主控電路設(shè)計(jì)

船載衛(wèi)星天線的控制系統(tǒng)具有較多的電機(jī)和傳感器,設(shè)有很多的外設(shè)接口.STM32F103系列作為主控核心,從成本和難易程度來估計(jì),它都是最佳的單片機(jī)選擇[2].STM32F103單片機(jī)接收上位機(jī)數(shù)據(jù),根據(jù)得到的電機(jī)運(yùn)行角度驅(qū)動(dòng)各個(gè)伺服電機(jī)對(duì)船載衛(wèi)星天線的姿勢進(jìn)行調(diào)整.STM32具有一流的外設(shè)、低功耗、內(nèi)嵌復(fù)位電路、內(nèi)部RC振蕩器,最多高達(dá)112個(gè)快速I/O端口,多達(dá)13個(gè)通信接口.STM32可以處理43個(gè)可屏蔽中斷通道,提供16個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)允許中斷提前處理,對(duì)后到的更高優(yōu)先級(jí)的中斷進(jìn)行處理不需要指令干預(yù).

回轉(zhuǎn)滑環(huán)采用森瑞普滑環(huán)(HF-0218-64-12S),滑環(huán)具有2路高頻信號(hào), 2路傳感器信號(hào),每路可通過5 A電流.

霍爾開關(guān)選用茶花電氣的JK8002C M8,安裝螺距為M8×1,俯仰軸及回轉(zhuǎn)軸各配一個(gè).霍爾開關(guān)參數(shù)如圖4所示.

圖4 霍爾開關(guān)參數(shù)Fig.4 Hall switch parameters

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

利用PWM脈沖序列控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng),每次接收到一個(gè)脈沖,步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)一個(gè)步距角.俯仰轉(zhuǎn)盤與電機(jī)的齒輪比是1∶4,方向轉(zhuǎn)盤與電機(jī)的齒輪比是1∶8.STM32單片機(jī)通過改變脈沖頻率控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度,PWM脈沖個(gè)數(shù)控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)的距離.STM32單片機(jī)的IO3控制的是PWM,IO2控制的是方向,方向與高低電平有關(guān),高電平是正方向,低電平是反方向.驅(qū)動(dòng)器有3個(gè)模式,在步進(jìn)模式中可調(diào)速度(速度范圍有0.5、1、1.5、2 m/min).STM32控制板產(chǎn)生兩路脈沖：一路的IO是I13,另一路是I15;I13控制轉(zhuǎn)盤,I15控制俯仰,俯仰的角度是0°～60°.控制兩個(gè)電機(jī)過程中,板子與板子之間進(jìn)行RS232串口通信,控制板發(fā)出的指令是6個(gè)字節(jié).其中：第1個(gè)字節(jié)是0,是啟動(dòng)電機(jī)1的標(biāo)識(shí)符;第2個(gè)字節(jié)是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間,數(shù)值增加1是循環(huán)1 s;第3個(gè)字節(jié)是電機(jī)停止的時(shí)間,數(shù)值增加1是循環(huán)1 s;第4個(gè)字節(jié)是255,是啟動(dòng)電機(jī)2的標(biāo)識(shí)符,如果電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng),這個(gè)字節(jié)是255;第5個(gè)字節(jié)是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間,數(shù)值增加1是循環(huán)1 s;第6個(gè)字節(jié)是電機(jī)停止的時(shí)間,數(shù)值增加1是循環(huán)1 s.

3 軟件設(shè)計(jì)

船載衛(wèi)星天線的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是先使系統(tǒng)進(jìn)行初始化、上電尋零和采集所需要的數(shù)據(jù)值.系統(tǒng)初始化主要完成單片機(jī)內(nèi)部的系統(tǒng)配置,包含IO口的初始化配置、定時(shí)器的中斷、串口的中斷以及接收上位機(jī)采集到目標(biāo)衛(wèi)星的各個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)、俯仰軸和方向軸的初始化等.伺服系統(tǒng)上電后兩路電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)找到零點(diǎn)狀態(tài),每次回零的狀態(tài)位置都是相同的,同時(shí)實(shí)時(shí)采集上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)調(diào)節(jié)方向軸和俯仰軸的姿態(tài).當(dāng)姿態(tài)滿足位置時(shí)達(dá)到跟蹤狀態(tài);當(dāng)姿態(tài)不滿足時(shí),會(huì)根據(jù)上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)再次進(jìn)行調(diào)整,直到滿足要求.軟件程序流程如圖5所示.

圖5 軟件程序流程Fig.5 Software program flow

4 系統(tǒng)測試

天線放在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測試,控制系統(tǒng)能夠根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)角度旋轉(zhuǎn),而且能滿足要求.測得的數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 各個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)Table 2 Satellite data

本文船載衛(wèi)星在測試過程中俯仰角度是0°～60°,方向角度是0°～360°,經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)得出平均搜星時(shí)間.根據(jù)表2對(duì)比結(jié)果可以看出：本文船載衛(wèi)星平均搜星時(shí)間較短,船載衛(wèi)星接收到數(shù)據(jù)以后能夠及時(shí)作出反應(yīng);根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的慣導(dǎo)組合定位系統(tǒng),能夠準(zhǔn)確測出定位角度誤差.天線測試平臺(tái)如圖6所示.

圖6 天線測試平臺(tái)Fig.6 Antenna test platform

5 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于STM32單片機(jī)開發(fā)的船載衛(wèi)星伺服控制系統(tǒng)體積小、實(shí)時(shí)性好,伺服控制系統(tǒng)與上位機(jī)能夠滿足通信要求,能夠傳輸和接收數(shù)據(jù)信號(hào),能夠保障海上船只的通信要求.在現(xiàn)有的船載衛(wèi)星伺服控制系統(tǒng)中,本文的船載衛(wèi)星伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全性好、設(shè)計(jì)簡單有效、操作方便,在工業(yè)上的應(yīng)用具有良好的商業(yè)價(jià)值.